OFDR技術(shù)光纖傳感解調(diào)原理詳解

01OFDR傳感原理

OFDR技術(shù)可以獲取整根光纖的瑞利散射信息，可以通過測(cè)量瑞利散射信號(hào)位置及強(qiáng)度發(fā)生的改變，來反演出整根光纖各個(gè)位置的應(yīng)變分布情況。將光纖傳感器布設(shè)于待測(cè)結(jié)構(gòu)中，通過膠水粘連光纖和待測(cè)物會(huì)協(xié)調(diào)形變，通過測(cè)試光纖沿線應(yīng)變分布可以反映出待測(cè)物的應(yīng)變分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纖的傳感測(cè)量。OFDR系統(tǒng)可以用于高分辨的應(yīng)變溫度分布式測(cè)量。

圖1 OFDR傳感解調(diào)原理

OFDR系統(tǒng)中光纖的瑞利散射是由于光纖本身折射率不均勻引起的，由于光纖中存在的折射率隨機(jī)分布的特性，可以將光纖當(dāng)作一種長(zhǎng)距離具有隨機(jī)周期的弱反射光纖布拉格光柵。光纖光柵是通過解調(diào)中心波長(zhǎng)的漂移來計(jì)算應(yīng)變和溫度變化。OFDR技術(shù)傳感解調(diào)原理是沿光纖長(zhǎng)度方向，將待測(cè)光纖等間隔劃分為一個(gè)個(gè)相鄰的傳感單元，解調(diào)各個(gè)傳感單元加載前后的瑞利散射光譜信號(hào)的頻移，結(jié)合頻移量與應(yīng)變溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)得出應(yīng)變溫度值。對(duì)整根光纖的所有傳感單元逐一計(jì)算，即可得到隨距離變化的應(yīng)變溫度分布結(jié)果。

02OFDR傳感解調(diào)過程

OFDR傳感解調(diào)過程如圖2所示。傳感測(cè)量是通過參考數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)的瑞利散射光譜信號(hào)的互相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的。具體過程如下：

圖2 OFDR技術(shù)傳感解調(diào)過程

1.獲得參考數(shù)據(jù)，OFDR系統(tǒng)測(cè)量獲得OFDR曲線，為參考數(shù)據(jù)。

2.當(dāng)光纖施加載荷后，再次獲得OFDR曲線，是傳感數(shù)據(jù)。

3.將兩組信號(hào)在相同位置通過固定的移動(dòng)窗截取信號(hào)段，為一個(gè)傳感單元。

4.將一個(gè)傳感單元的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲得光纖在該位置處的頻域信號(hào)。

5.對(duì)兩組信號(hào)段的頻域信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到相應(yīng)的瑞利散射光譜信號(hào)的頻移。

6.對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行反傅里葉變換，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，得到距離-頻移關(guān)系曲線。

7.逐一計(jì)算各傳感單元，便可獲得整根光纖各位置的瑞利散射頻移。結(jié)合傳感系數(shù)，可以得到距離-頻移/應(yīng)變/溫度分布曲線，如圖3所示。

圖3 距離-應(yīng)變分布曲線

OFDR高分辨分布式光纖傳感技術(shù)可以同時(shí)測(cè)得一根光纖上成千上萬傳感點(diǎn)的應(yīng)變/溫度分布，傳感空間分辨率可達(dá)mm/cm量級(jí)，例如1m長(zhǎng)度的傳感光纖，當(dāng)空間分辨率為1mm時(shí)，相當(dāng)于同時(shí)測(cè)量1000個(gè)傳感點(diǎn)。OFDR技術(shù)海量的傳感密度，結(jié)合光纖傳感器小尺寸、易曲繞特點(diǎn)，除了進(jìn)行應(yīng)變溫度測(cè)量外，還可以拓展用于形狀傳感、姿態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)溫度場(chǎng)重構(gòu)等方面。OFDR技術(shù)非常適合于短距離、高分辨、高精度的應(yīng)變溫度測(cè)量領(lǐng)域，如土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，復(fù)合材料疲勞檢測(cè)，新能源汽車電池組溫度監(jiān)測(cè)等。

來源：大話光纖傳感

審核編輯：湯梓紅